DE102016209603A1 - Internal combustion engine with two exhaust gas turbochargers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit einem ersten und einem zweiten Abgasturbolader (10b). Das Verdichtergehäuse (16), das Verdichterrad (12b) und das Lagergehäuse (14) des zweiten Abgasturboladers (10b) begrenzen einen Strömungskanal (18) für die durch eine Frischluftleitung (5) der Brennkraftmaschine (1) geführte Frischluft. Zwischen dem Lagergehäuse (14) und dem Verdichtergehäuse (16) des zweiten Abgasturboladers (10b) ist eine thermische Isolation (17) zum Verringern eines Wärmeübergangs vom Lagergehäuse (14) zum Verdichtergehäuse (16) vorgesehen.The invention relates to an internal combustion engine (1) with a first and a second exhaust gas turbocharger (10b). The compressor housing (16), the compressor wheel (12b) and the bearing housing (14) of the second exhaust gas turbocharger (10b) delimit a flow channel (18) for the fresh air guided through a fresh air line (5) of the internal combustion engine (1). Between the bearing housing (14) and the compressor housing (16) of the second exhaust gas turbocharger (10b), a thermal insulation (17) for reducing heat transfer from the bearing housing (14) to the compressor housing (16) is provided.
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern.The invention relates to an internal combustion engine with two exhaust gas turbochargers.
Moderne Brennkraftmaschinen sind zur Leistungssteigerung und zur Reduzierung von Schadstoffemissionen mit einem Abgasturbolader ausgestattet. Aus dem Stand der Technik ist es zur Verbesserung des Wirkungsgrads mittlerweile bekannt, eine Brennkraftmaschine nicht nur mit einem einzigen solchen Abgasturbolader auszustatten, sondern sogar zwei Abgasturbolader quasi „in Reihe” zu schalten.Modern internal combustion engines are equipped with an exhaust gas turbocharger to increase performance and to reduce pollutant emissions. From the prior art, it is now known to improve the efficiency of equipping an internal combustion engine not only with a single such exhaust gas turbocharger, but even two turbochargers quasi "in series" to switch.
Als problematisch erweist sich dabei oftmals ein unerwünschter Wärmestrom in dem der Brennkraftmaschine unmittelbar vor- bzw. nachgeschaltetem Abgasturbolader, dem sogenannten Hochdruck-Abgasturbolader: Von dessen Lagergehäuse, in welchem die Welle des Abgasturboladers einschließlich Turbinen- und Verdichterrad drehbar gelagert ist und welches typischerweise Wärme aus dem von heißen Abgasen durchströmten Turbinengehäuse aufnimmt, tritt typischerweise ein nicht unerheblicher Wärmestrom in das Verdichtergehäuse über, wodurch der Wirkungsgrad des Abgasturboladers gemindert wird.An undesirable heat flow in which the internal combustion engine directly upstream or downstream exhaust gas turbocharger, the so-called high-pressure exhaust gas turbocharger often turns out to be problematic: Of the bearing housing, in which the shaft of the exhaust gas turbocharger including turbine and compressor is rotatably mounted and which typically heat absorbs the turbine housing through which flows hot exhaust gases, typically a significant heat flow occurs in the compressor housing, whereby the efficiency of the exhaust gas turbocharger is reduced.
Vor diesem Hintergrund behandelt die
Die
Die
Die
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern in Form eines Hochdruck-Abgasturboladers und eines Niederdruck-Abgasturboladers zu schaffen, bei welcher das Verdichtergehäuse des Hochdruck-Abgasturboladers mit einem verbesserten Schutz gegen unerwünschten Wärmeeintrag aus dem Lagergehäuse versehen ist.It is an object of the present invention to provide an internal combustion engine with two exhaust gas turbochargers in the form of a high-pressure exhaust gas turbocharger and a low-pressure exhaust gas turbocharger, in which the compressor housing of the high-pressure exhaust gas turbocharger is provided with improved protection against undesirable heat input from the bearing housing.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Lagergehäuse des Hochdruck-Abgasturboladers eine thermische Isolation vorzusehen. Besagte thermische Isolation besitzt dabei die Eigenschaft, dass sie gegenüber einem herkömmlichen Abgasturbolader ohne solche thermische Isolation die thermische Kopplung zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Lagergehäuse zumindest reduziert. Dies führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads des Verdichters und somit des Hochdruck-Abgasturboladers.The basic idea of the invention is accordingly to provide a thermal insulation between the compressor housing and the bearing housing of the high-pressure exhaust gas turbocharger. Said thermal insulation has the property that it at least compared to a conventional exhaust gas turbocharger without such thermal insulation, the thermal coupling between the compressor housing and the bearing housing reduced. This leads to an increase in the efficiency of the compressor and thus the high-pressure exhaust gas turbocharger.
Im Idealfall wird das Verdichtergehäuse sogar nahezu vollständig thermisch vom Lagergehäuse entkoppelt, so dass der vom Lagergehäuse kommende Wärmeeintrag in das Verdichtergehäuse nahezu vollständig – gegenüber einem Abgasturbolader ohne eine solche thermische Isolation jedoch zumindest erheblich – reduziert wird. Unter dem Begriff „thermische Isolation” ist vorliegend also auch eine Einrichtung ausdrücklich umfasst, welche die Übertragung von Wärme vom Lagergehäuse in das Verdichtergehäuse im Sinne einer thermischen Drossel – dem Fachmann auch als „Wärmedrossel” bekannt – reduziert.Ideally, the compressor housing is almost completely thermally decoupled from the bearing housing, so that the coming of the bearing housing heat input into the compressor housing almost completely - compared to an exhaust gas turbocharger without such thermal insulation, however, at least significantly - is reduced. The term "thermal insulation" in the present case therefore also includes a device which reduces the transfer of heat from the bearing housing in the compressor housing in the sense of a thermal throttle - the person skilled in the art also known as "heat choke" - reduced.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern besitzt eine Frischluftseite und eine Abgasseite. Über die Frischluftseite wird Frischluft, welches in die Zylinder rückzuführendes Abgas enthält, in die Zylinder eingebracht. Hierzu weist die Brennkraftmaschine eine mit der Frischluftseite kommunizierende Frischluftleitung auf. Ferner weist die Brennkraftmaschine eine mit der Abgasseite kommunizierende Abgasleitung auf. Weiterhin umfasst die Brennkraftmaschine einen ersten Abgasturbolader, der ein erstes Turbinenrad und ein über eine erste Welle drehfest mit diesem verbundenes erstes Verdichterrad aufweist. Dabei sind das erste Turbinenrad in der Abgasleitung und das erste Verdichterrad in der Frischluftleitung angeordnet. Weiterhin umfasst die Brennkraftmaschine einen zweiten Abgasturbolader, der ein zweites Turbinenrad und ein über eine zweite Welle drehfest mit diesem verbundenes zweites Verdichterrad aufweist. Das zweite Turbinenrad des zweiten Abgasturboladers ist in der Abgasleitung zwischen der Abgasseite und dem ersten Turbinenrad des ersten Abgasturboladers angeordnet. Das zweite Verdichterrad des zweiten Abgasturboladers ist in der Frischluftleitung zwischen der Frischluftseite und dem ersten Verdichterrad des ersten Abgasturboladers angeordnet. Das zweite Verdichterrad ist in einem Gehäuseinnenraum angeordnet, der von einem Verdichtergehäuse des zweiten Abgasturboladers begrenzt ist. Die zweite Welle ist drehbar an einem Lagergehäuse des zweiten Abgasturboladers gelagert. Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine übernimmt der erste Abgasturbolader die Funktion eines Niederdruck-Abgas-turboladers und der zweite Abgasturbolader die Funktion eines Hochdruck-Abgasturboladers. Durch das Verdichtergehäuse, das zweite Verdichterrad und das Lagergehäuse des zweiten Abgasturboladers ist ein Strömungskanal für die durch die Frischluftleitung geführte Frischluft begrenzt. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Lagergehäuse und dem Verdichtergehäuse des zweiten Abgasturboladers eine thermische Isolation zum Verringern eines Wärmeübergangs vom Lagergehäuse zum Verdichtergehäuse vorgesehen.An internal combustion engine according to the invention with a plurality of cylinders has a fresh air side and an exhaust side. Fresh air, which contains exhaust gas to be recirculated into the cylinders, is introduced into the cylinders via the fresh air side. For this purpose, the internal combustion engine has a fresh air line communicating with the fresh air side. Furthermore, the internal combustion engine has an exhaust gas line communicating with the exhaust gas side. Furthermore, the internal combustion engine comprises a first exhaust gas turbocharger, which has a first turbine wheel and a first compressor wheel rotatably connected thereto via a first shaft. In this case, the first turbine wheel in the exhaust pipe and the first compressor in the fresh air line are arranged. Furthermore, the internal combustion engine comprises a second exhaust gas turbocharger, which has a second turbine wheel and a second compressor shaft rotatably connected thereto via a second shaft. The second turbine wheel of the second exhaust gas turbocharger is arranged in the exhaust pipe between the exhaust side and the first turbine of the first exhaust gas turbocharger. The second compressor wheel of the second exhaust gas turbocharger is arranged in the fresh air line between the fresh air side and the first compressor wheel of the first exhaust gas turbocharger. The second compressor wheel is arranged in a housing interior, which is bounded by a compressor housing of the second exhaust gas turbocharger. The second shaft is rotatable mounted on a bearing housing of the second exhaust gas turbocharger. In the internal combustion engine according to the invention, the first exhaust gas turbocharger assumes the function of a low-pressure exhaust gas turbocharger and the second exhaust gas turbocharger assumes the function of a high-pressure exhaust gas turbocharger. By the compressor housing, the second compressor and the bearing housing of the second exhaust gas turbocharger, a flow channel for the fresh air guided through the fresh air line is limited. According to the invention, a thermal insulation for reducing heat transfer from the bearing housing to the compressor housing is provided between the bearing housing and the compressor housing of the second exhaust gas turbocharger.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die thermische Isolation derart ausgebildet, dass der von ihr bereitgestellte thermische Isolationsgrad variierbar ist.In a preferred embodiment, the thermal insulation is designed such that the thermal insulation provided by it is variable.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist im ersten Abgasturbolader zwischen dessen Verdichtergehäuse und dessen Lagergehäuse keine thermische Isolation vorgesehen. Da der erste Abgasturbolader als Niederdruck-Abgasturbolader wirkt, ist die thermische Belastung des Verdichters in diesem – insbesondere gegenüber dem als Hochdruck-Abgasturbolader wirkenden zweiten Abgasturbolader – relativ gering. Aus Kostengründen kann bei dieser Variante daher die erfindungswesentliche thermische Isolation im ersten Abgasturbolader entfallen.In a particularly preferred embodiment, no thermal insulation is provided in the first exhaust gas turbocharger between the compressor housing and the bearing housing. Since the first exhaust gas turbocharger acts as a low-pressure exhaust gas turbocharger, the thermal load of the compressor in this - especially against the second exhaust gas turbocharger acting as a high-pressure exhaust gas turbocharger - is relatively low. For cost reasons, therefore, the invention essential thermal insulation in the first exhaust gas turbocharger can be omitted in this variant.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auf einer dem Strömungskanal zugewandten Seite des Lagergehäuses ein Zwischenbauteil angeordnet, in welchem ein die thermische Isolation ausbildender Hohlraum vorhanden ist. Mittels eines solchen Hohlraums wird der thermische Kontakt zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Lagergehäuse erheblich verringert, so dass dieser als thermische Isolation oder zumindest als thermische Drossel wirkt.In an advantageous development of the invention, an intermediate component is arranged on a side facing the flow channel of the bearing housing, in which a thermal insulation forming cavity is present. By means of such a cavity, the thermal contact between the compressor housing and the bearing housing is considerably reduced, so that it acts as a thermal insulation or at least as a thermal throttle.
Bevorzugt ist das Zwischenbauteil ringartig ausgebildet. Vorzugsweise besteht das Zwischenbauteil aus einem Kunststoff, welcher eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist und sich daher gut als Wärmedrossel oder als thermischer Isolator eignet.Preferably, the intermediate member is formed like a ring. Preferably, the intermediate component consists of a plastic which has a low thermal conductivity and is therefore well suited as a heat choke or as a thermal insulator.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Zwischenbauteil einen Durchbruch zum Befüllen des Hohlraums mit einem Fluid auf. Ein solches Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas, insbesondere Luft, sein. Je nach Wärmeleitfähigkeit des Fluids kann somit eine vorbestimmte thermische Isolationswirkung erzielt werden. Bei dieser Variante ist besagter Hohlraum in einem im zweiten Abgasturbolader montierten Zustand vom Verdichtergehäuse verschlossen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Fluid im Betrieb des zweiten Abgasturboladers nicht aus dem Hohlraum entweichen kann.In an advantageous development, the intermediate component has an opening for filling the cavity with a fluid. Such a fluid may be a liquid or a gas, in particular air. Depending on the thermal conductivity of the fluid thus a predetermined thermal insulation effect can be achieved. In this variant, said cavity is closed in a mounted in the second exhaust gas turbocharger state of the compressor housing. In this way it is ensured that the fluid can not escape from the cavity during operation of the second exhaust gas turbocharger.
Eine besonders einfache, gleichwohl zuverlässige mechanische Fixierung des Zwischenbauteils am Lagergehäuse ermöglicht eine bevorzugte Ausführungsform, bei welcher das Zwischenbauteil mechanisch zwischen dem Lagergehäuse und dem Verdichtergehäuse verspannt ist.A particularly simple, yet reliable mechanical fixation of the intermediate component on the bearing housing allows a preferred embodiment in which the intermediate component is clamped mechanically between the bearing housing and the compressor housing.
Besonders einfach herzustellen ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei welcher das Zwischenbauteil mittels eines Gussverfahrens hergestellt ist, also ein Gussteil ist. Besonders bevorzugt ist das Zwischenbauteil ein Aluminium-Gussteil, da dieses ein besonders geringes Eigengewicht besitzt.Particularly simple to produce is another preferred embodiment, in which the intermediate component is produced by means of a casting process, that is to say is a casting. Particularly preferably, the intermediate component is an aluminum casting, since this has a particularly low weight.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist auf einer dem Strömungskanal zugewandten Seite des Lagergehäuses ein Lagergehäusedeckel angeordnet. Im Lagergehäusedeckel ist zur Ausbildung der thermischen Isolation eine Vertiefung vorgesehen. Bei dieser Variante ist die Vertiefung in einem am Lagergehäuse angeordneten Zustand des Lagergehäusedeckels vom Lagergehäuse verschlossen.In another preferred embodiment, a bearing housing cover is arranged on a side of the bearing housing facing the flow channel. In the bearing housing cover a depression is provided to form the thermal insulation. In this variant, the recess is closed in a arranged on the bearing housing state of the bearing housing cover from the bearing housing.
Eine besonders einfache, gleichwohl zuverlässige mechanische Fixierung des Lagergehäusedeckels am Lagergehäuse ermöglicht eine vorteilhafte Weiterbildung, bei welcher der Lagergehäusedeckel zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Lagergehäuse verspannt ist.A particularly simple, yet reliable mechanical fixation of the bearing housing cover on the bearing housing allows an advantageous development in which the bearing housing cover between the compressor housing and the bearing housing is braced.
Mit besonders geringen Fertigungskosten geht indes eine weitere bevorzugte Ausführungsform einher, bei welcher der Lagergehäusedeckel als tiefgezogenes Blechformteil oder als mittels Feinschneidens und Prägens gefertigtes Blechformteil ausgebildet ist.With particularly low production costs, however, is accompanied by a further preferred embodiment, in which the bearing housing cover is formed as a deep-drawn sheet metal part or as manufactured by means of fine blanking and embossing sheet metal part.
Bei einer dazu alternativen Variante, die ebenfalls mit geringen Herstellungskosten verbunden ist, ist der Lagergehäusedeckel als Gussteil, vorzugsweise als Kunststoff-Spritzgussteil, ausgebildet.In an alternative variant, which is also associated with low production costs, the bearing housing cover as a casting, preferably as a plastic injection molded part is formed.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist auf einer dem Strömungskanal zugewandten Seite des Lagergehäuses eine die thermische Isolation ausbildende Ausnehmung vorhanden. Die Ausnehmung ist bei dieser Ausführungsform von einem Lagergehäusedeckel fluiddicht verschlossen, so dass die Ausnehmung mit einem Fluid, insbesondere mit einem Gas oder einer Flüssigkeit mit geringer Wärmeleitfähigkeit befüllt werden kann.In another preferred embodiment, a recess forming the thermal insulation is present on a side of the bearing housing facing the flow channel. The recess is closed in this embodiment by a bearing housing cover fluid-tight, so that the recess can be filled with a fluid, in particular with a gas or a liquid with low thermal conductivity.
Besonders zweckmäßig kann der Lagergehäusedeckel, vorzugsweise aus einem Kunststoff, mittels einer Schraubverbindung lösbar mit dem Lagergehäuse verbunden sein. Eine solche Schraubverbindung erlaubt eine einfache Fixierung des Lagergehäusedeckels am Lagergehäuse. Ein Lagergehäusedeckel aus Kunststoff ist besonders einfach und somit kostengünstig herzustellen.Particularly suitably, the bearing housing cover, preferably made of a plastic, be connected by means of a screw detachably connected to the bearing housing. Such Screw connection allows easy fixation of the bearing housing cover on the bearing housing. A bearing housing cover made of plastic is particularly simple and thus inexpensive to manufacture.
Konstruktiv besonders einfach aufgebaut ist eine andere bevorzugte Ausführungsform, bei der die thermische Isolierung bildender Hohlraum direkt im Lagergehäuse ausgebildet ist, so dass die Bereitstellung eines Zwischenbauteils oder eines Lagergehäusedeckels entfallen kann. Ein Lagergehäuse mit einem solchen Hohlraum kann beispielsweise mittels eines Sandgussverfahrens hergestellt werden.Structurally particularly simple construction is another preferred embodiment in which the thermal insulation forming cavity is formed directly in the bearing housing, so that the provision of an intermediate component or a bearing housing cover can be omitted. A bearing housing with such a cavity can be produced for example by means of a sand casting process.
Besonders bevorzugt ist besagter Hohlraum mit einem Gas, insbesondere mit Luft, befüllt. Alternativ dazu kann in dem Hohlraum ein Vakuum ausgebildet sein. Mittels eines Vakuums kann die Konvektion von Wärme vom Lagergehäuse zum Verdichtergehäuse reduziert werden.Particularly preferably, said cavity is filled with a gas, in particular with air. Alternatively, a vacuum may be formed in the cavity. By means of a vacuum, the convection of heat from the bearing housing to the compressor housing can be reduced.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist im Lagergehäuse ein Durchbruch ausgebildet, mittels welchem der Hohlraum von außen mit einem Fluid, vorzugsweise mit einem Gas oder mit einer Flüssigkeit, höchst vorzugsweise mit Luft, befüllbar oder befüllt ist. Je nach Wärmeleitfähigkeit des Gases kann die Wärmeleitfähigkeit eingestellt werden.In an advantageous development, an opening is formed in the bearing housing, by means of which the cavity from the outside with a fluid, preferably with a gas or with a liquid, most preferably with air, can be filled or filled. Depending on the thermal conductivity of the gas, the thermal conductivity can be adjusted.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlraum über den Durchbruch mit einem Fluidreservoir verbindbar oder verbunden. In oder an einem solchen Fluidreservoir kann eine als eine Druckkolben ausgebildete Druckbeaufschlagungseinrichtung vorhanden sein, mittels welcher das Fluid, insbesondere das Gas, aus dem Fluidreservoir in den Hohlraum einbringbar ist. Auf diese Weise kann eine bestimmte Menge an Fluid in den Hohlraum eingebracht und somit der mittels der thermischen Isolation erzeugbare thermische Isolationsgrad variiert werden. Mit Hilfe einer geeigneten, mit dem Druckkolben zusammenwirkenden Steuerungseinrichtung kann der gewünschte thermische Isolationsgrad der thermischen Isolierung sogar gezielt eingestellt werden.In a further preferred embodiment, the cavity is connected or connected via the opening with a fluid reservoir. In or on such a fluid reservoir may be provided as a pressure piston pressure application means, by means of which the fluid, in particular the gas from the fluid reservoir can be introduced into the cavity. In this way, a certain amount of fluid can be introduced into the cavity and thus the amount of thermal insulation that can be generated by means of the thermal insulation can be varied. With the aid of a suitable, cooperating with the pressure piston control device, the desired thermal insulation level of the thermal insulation can even be set specifically.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist in einem Turbinengehäuse des zweiten Abgasturboladers ein weiterer Hohlraum ausgebildet, und zwar in analoger Weise zu dem vorangehend im Zusammenhang mit dem Lagergehäuse erläuterten Hohlraum. Auf diese Weise kann auch der Wärmeeintrag von Wärme aus dem Turbinengehäuse in das Lagergehäuse minimiert werden.In an advantageous development, a further cavity is formed in a turbine housing of the second exhaust gas turbocharger, in a manner analogous to the cavity explained above in connection with the bearing housing. In this way, the heat input of heat from the turbine housing can be minimized in the bearing housing.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be explained in more detail in the following description.
Es zeigen, jeweils schematisch:It show, each schematically:
In den Figuren werden verschiedene Beispiele einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
Entsprechend
Weiterhin umfasst die Brennkraftmaschine
Ein weiterer, zweiter Abgasturbolader
Die
Wie
Zur Ausbildung der thermischen Isolation
Die
Die
In dem in
Der Hohlraum
Die
Im Beispiel der
Die
Der anhand der
In einer vorteilhaften Weiterbildung, die mit allen vorangehend genannten Beispielen kombiniert werden kann, kann zur Ausbildung einer zusätzlichen thermischen Isolation auch im Turbinengehäuse (nicht gezeigt) des zweiten Abgasturboladers
In den Beispielen der
Auch der Lagergehäusedeckel
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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